Seguramente alguna vez has empujado un columpio en un parque. Si lo empujas con fuerza en cualquier momento, el columpio se sacude a trompicones, pero si le das un empujón suave justo cuando, tras retroceder, está a punto de avanzar, irá subiendo cada vez más alto con muy poca fuerza. Así, el momento del empujón importa más que su intensidad.
En física se llama «resonancia (Resonance)» al fenómeno por el cual una oscilación se amplifica considerablemente cuando el ritmo natural de oscilación de un objeto coincide con el de la fuerza que se le aplica desde fuera. La resonancia amplifica el sonido de los instrumentos musicales y permite que funcionen equipos de diagnóstico en los hospitales, aunque a veces también puede hacer oscilar un puente sólido.
Este material explica de forma sencilla qué es la resonancia, qué significa la frecuencia natural, por qué se amplifican las oscilaciones, cómo se aprovecha la resonancia en la vida cotidiana y en la tecnología, y qué accidentes ha provocado y cómo se pueden prevenir.
Principios y aplicaciones de la resonancia
Qué es la resonancia
Cada objeto tiene su propio ritmo natural de oscilación. Si se da un pequeño impulso a una pesa suspendida de una cuerda, esta va y viene a un ritmo constante por sí sola. El ritmo al que oscila un objeto por sí solo se llama frecuencia natural (Natural Frequency).
La frecuencia indica cuántas oscilaciones se producen en 1 segundo y se mide en hercios (Hz). Si se produce una oscilación en 1 segundo, la frecuencia es de 1 Hz, y si se producen diez, es de 10 Hz. La frecuencia natural depende del peso, la rigidez y la forma del objeto. Por eso una cuerda de guitarra corta y tensa vibra más rápido y una larga y floja vibra más despacio.
La resonancia se produce cuando la frecuencia de la fuerza externa periódica es igual o muy cercana a la frecuencia natural. En esas condiciones, incluso una fuerza pequeña aumenta de forma apreciable la amplitud de la oscilación.
Por qué aumenta la amplitud de la oscilación
La resonancia se explica por la forma en que se acumula la energía. Cuando los ritmos coinciden, la fuerza externa actúa siempre en el sentido en que se mueve el objeto, de modo que cada empujón añade un poco de energía.
(1) Cuando los ritmos no coinciden
La fuerza a veces favorece el movimiento y a veces se opone a él. Los aportes y las pérdidas de energía se alternan, por lo que la amplitud de la oscilación apenas aumenta.
(2) Cuando los ritmos coinciden
La fuerza favorece el movimiento cada vez y la energía se acumula poco a poco. Aunque la fuerza aplicada tenga siempre la misma magnitud, la oscilación aumenta progresivamente.
(3) El papel del amortiguamiento
En la práctica, los objetos pierden energía poco a poco debido a la resistencia del aire o a la fricción. A esto se le llama amortiguamiento (Damping). Cuanto menor es el amortiguamiento, más se amplifica la oscilación durante la resonancia.
Por eso, un objeto con un amortiguamiento casi nulo responde con gran intensidad a la frecuencia de resonancia, y su respuesta disminuye rápidamente en cuanto la frecuencia se aparta un poco de ese valor. En cambio, en un objeto con un amortiguamiento elevado, la amplitud apenas aumenta incluso cuando se produce resonancia. Lo mismo sucede con el sonido. Si dos diapasones tienen la misma frecuencia natural, al hacer sonar uno, el otro también suena sin que nadie lo toque.
La resonancia en la vida cotidiana y en la tecnología
La capacidad de la resonancia para amplificar las oscilaciones se aprovecha en diversos ámbitos.
- Instrumento musical (Musical Instrument). La caja de madera de la guitarra y del violín resuena con la vibración de las cuerdas, amplifica el sonido tenue y le da más riqueza.
- Sintonización de radio (Radio Tuning). La radio ajusta la frecuencia de resonancia de su circuito a la frecuencia de la emisora deseada para recibir únicamente esa señal.
- Imagen por resonancia magnética (Magnetic Resonance Imaging). Esta técnica obtiene imágenes del interior del cuerpo aprovechando que, en un campo magnético intenso, los núcleos de los átomos de hidrógeno del organismo resuenan con ondas de radio de una frecuencia determinada.
- Horno microondas (Microwave Oven). Las microondas hacen oscilar rápidamente las moléculas de agua de los alimentos y generan calor. Aunque el fenómeno difiere un poco de la resonancia en sentido estricto, se suele presentar junto con ella porque también se emplean ondas electromagnéticas para hacer oscilar moléculas.
El pequeño cristal de cuarzo que llevan los relojes también aprovecha la resonancia. Al aplicarle una tensión eléctrica, el cuarzo vibra a una frecuencia muy estable. Muchos relojes de pulsera miden el tiempo tomando como referencia un cristal que vibra 3 decenas de millar más 2,768 veces en 1 segundo. Cuando un cantante rompe una copa de vino con una nota aguda, sucede porque el sonido coincide con la frecuencia natural de la copa y la hace vibrar con gran amplitud.
Accidentes causados por la resonancia y cómo prevenirlos
La resonancia también afecta a grandes estructuras. En 1831, en el puente colgante de Broughton, en Inglaterra, 74 soldados marcharon al mismo paso. El puente osciló con fuerza al ritmo de sus pisadas y, finalmente, uno de sus bordes se desplomó y cayó al río. Por suerte, nadie murió, pero a partir de entonces el ejército británico ordenó a sus soldados romper el paso al cruzar puentes.
El Puente del Milenio, inaugurado en el mes 6 de 2000 sobre el río Támesis en Londres, también osciló con fuerza de lado a lado poco después de su apertura. Cuando el puente empezó a oscilar ligeramente, muchos peatones acompasaron sin darse cuenta sus pasos con la oscilación para mantener el equilibrio, y la fuerza de sus pisadas amplificó el movimiento. El puente se cerró dos días después de su inauguración y solo volvió a abrir en el mes 2 de 2002, tras la instalación de dispositivos de amortiguamiento para reducir las oscilaciones.
Para prevenir este tipo de incidentes, al diseñar las estructuras los ingenieros calculan de antemano su frecuencia natural y ajustan su peso y rigidez para que esa frecuencia no coincida con la cadencia de los pasos de las personas ni con la frecuencia de las oscilaciones provocadas por el viento o las máquinas. En los edificios altos también se instalan a veces amortiguadores de masa sintonizada, que reducen las vibraciones mediante un gran contrapeso suspendido que oscila en sentido contrario al edificio.
La resonancia es un amplificador natural que convierte una pequeña fuerza en un gran movimiento. Entender su ritmo permite aprovecharla para amplificar sonidos y seleccionar señales, así como evitar de antemano oscilaciones peligrosas.
Identificar ese ritmo invisible es el primer paso para aprender a controlar las oscilaciones.
